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Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Batterie mit wenigstens zwei Batteriezellen, welche jeweilige Zellgehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweisen. Mittels eines Verbindungselements sind die beiden Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet. Das Verbindungselement ist hierbei mit einem elektrischen Kontaktelement einer ersten Polarität einer ersten Batteriezelle der beiden Batteriezellen stoffschlüssig verbunden.
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Hochtemperatur-Batterien werden in einem Temperaturbereich zwischen etwa 150 °C und etwa 450 °C betrieben. Bei niedrigeren Temperaturen sind solche Batterien, welche auch als Thermalbatterien bezeichnet werden, inaktiv. Erst bei den hohen Betriebstemperaturen schmelzen ein Elektrolyt oder die Elektroden, sodass eine für die Bereitstellung elektrischer Energie ausreichende Energieübertragung zwischen den Elektroden zustande kommt. Die Batteriezellen können beispielsweise vom Typ des Natrium-Schwefel-Akkumulators (NaS-Akkumulator) oder als Natrium-Nickelchlorid-Zellen (NaNiCl2-Zellen) ausgebildet sein.
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Die einzelnen Batteriezellen sind üblicherweise in einem Modulgehäuse aufrecht stehend und mit wenigen Millimetern Abstand voneinander angeordnet, sodass die Batteriezellen in dem Modulgehäuse vergleichsweise kompakt gepackt sind.
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Zwischen den Zellgehäusen der einzelnen Batteriezellen befindet sich eine elektrisch isolierende Trennschicht.
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Damit eine Hochtemperatur-Batterie die gewünschte Spannung oder Leistung erreicht, sind die einzelnen Batteriezellen per Reihenschaltung zu einem oder mehreren Seriensträngen verschaltet.
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Hierbei ist es aus dem Stand der Technik bekannt, als Verbindungselement einen Zellverbinder an einen elektrischen Pluspol einer ersten Batteriezelle anzuschweißen und mit dem Minuspol einer weiteren Batteriezelle durch Löten zu verbinden. Hierbei kann, wie bei NaNiCl2-Zellen, der Minuspol durch das Zellgehäuse der weiteren Batteriezelle bereitgestellt sein (während etwa bei NaS-Zellen der Pluspol durch das Zellgehäuse bereitgestellt ist). Der am Pluspol der jeweiligen Batteriezelle angeschweißte Zellverbinder drückt nach Art einer Feder gegen den Minuspol der weiteren, benachbarten Batteriezelle. Dadurch ist es möglich, in einem Lötofen die Lötverbindungen zum Herstellen der elektrischen Reihenschaltung einer Mehrzahl von Batteriezellen gleichzeitig herzustellen.
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Die Fertigung einer solchen Hochtemperatur-Batterie ist dennoch vergleichsweise aufwendig, da sowohl ein Schweißprozess als auch ein Lötvorgang notwendig sind.
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Alternativ ist es möglich, einen Zellverbinder sowohl am Pluspol einer ersten Batteriezelle als auch am Minuspol einer zweiten Batteriezelle durch Schweißen festzulegen. Hierbei kann am Pluspol der jeweiligen Batteriezelle ein Rohrstutzen angeschweißt werden, mit welchem dann der Zellverbinder durch Schweißen verbunden wird. Nachdem dann an alle einzelnen Batteriezellen der Zellverbinder einerseits und der Rohrstutzen andererseits angeschweißt sind, werden zur Herstellung der elektrischen Reihenschaltung die Zellverbinder mit den Rohrstutzen verschweißt.
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Auch hier sind jedoch zum Herstellen einer elektrischen Verbindung der in Reihe geschalteten Batteriezellen miteinander mehrere Schweißvorgänge notwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Hochtemperatur-Batterie der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Herstellung einer Reihenschaltung der Batteriezellen vereinfacht ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hochtemperatur-Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Batterie umfasst wenigstens zwei Batteriezellen, welche jeweilige Zellgehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweisen. Ein Verbindungselement, mittels welchem die beiden Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, ist mit einem elektrischen Kontaktelement einer ersten Polarität einer ersten Batteriezelle der beiden Batteriezellen stoffschlüssig verbunden. Hierbei ist das Verbindungselement einstückig mit einer Wand des Zellgehäuses einer zweiten Batteriezelle der beiden Batteriezellen ausgebildet. Durch die Wand des Zellgehäuses ist ein elektrisches Kontaktelement einer zweiten Polarität der zweiten Batteriezelle bereitgestellt. Ein Zellverbinder in Form des Verbindungselements ist also in das Design der Batteriezelle integriert.
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Es braucht demnach lediglich das Verbindungselement mit dem elektrischen Kontaktelement der ersten Polarität der ersten Batteriezelle stoffschlüssig verbunden zu werden, um die Reihenschaltung der ersten Batteriezelle mit der zweiten Batteriezelle herzustellen. Dadurch, dass lediglich ein Vorgang des stoffschlüssigen Verbindens notwendig ist, ist die Herstellung einer Reihenschaltung der Batteriezellen bei der Montage der Hochtemperatur-Batterie vereinfacht.
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Eine derartige Veränderung des Designs der Batteriezelle, nämlich das Verlängern der Wand des Zellgehäuses zum Bereitstellen des Verbindungselements, ist besonders einfach zu realisieren. Zudem sind keine zusätzlichen Arbeitsschritte notwendig. Vielmehr können die Batteriezellen mit den gleichen Methoden wie bisher gefertigt werden.
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Ein wesentlicher Vorteil der Hochtemperatur-Batterie ist des Weiteren eine Reduzierung der Anzahl an Verbindungsstellen und der zum Herstellen der Verbindung des Verbindungselements mit dem elektrischen Kontaktelement notwendigen Verbindungstechniken. So ist nämlich lediglich an einer Stelle die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung notwendig.
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Das Verringern der Anzahl an Verbindungsstellen führt zu einer geringeren Anzahl von Kontaktübergängen. Dies bringt nicht nur weniger Arbeitsschritte mit sich, sondern auch einen geringeren, elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem Verbindungselement und der Wand des Zellgehäuses, aus welcher das Verbindungselement gebildet ist. Wird über jeweilige Verbindungselemente eine Vielzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet, so führen die geringen jeweiligen Übergangswiderstände auch zu einem Absenken des Gesamtinnenwiderstands der Hochtemperatur-Batterie. Dies erhöht die Leistungsfähigkeit der Hochtemperatur-Batterie.
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Darüber hinaus können aus der Fertigung oder Montage der Hochtemperatur-Batterie bekannte Fertigungsmethoden beibehalten werden, und es brauchen keine neuen Techniken eingeführt oder erlernt zu werden. Änderungen in der Fertigung der Hochtemperatur-Batterie können somit besonders schnell und unkompliziert umgesetzt werden.
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Da die Montage der Batteriezellen zum Bereitstellen der Hochtemperatur-Batterie weniger Arbeitsschritte als beim Herstellen mehrerer stoffschlüssiger Verbindungen je Verbindungselement erfordert, kann die Montage der Hochtemperatur-Batterie besonders rasch erfolgen. Dies führt auch zu einer Verringerung der Produktionskosten der Hochtemperatur-Batterie. Das Design der Batteriezelle mit dem in die Batteriezelle integrierten Verbindungselement führt so zu einer Verbesserung bei der Herstellung der Hochtemperatur-Batterie und besitzt damit das Potential, die Wirtschaftlichkeit von Hochtemperatur-Batterien zu erhöhen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungselement als Lasche ausgebildet, welche eine Breite aufweist, die bevorzugt geringer ist als eine Breite der Wand des Zellgehäuses, welche das Verbindungselement bereitstellt. die Breite der Lasche kann jedoch auch maximal der Breite der Wand des Zellgehäuses gleich sein. Dies gilt insbesondere, wenn eine Wandstärke der Wand des Zellgehäuses vergleichsweise gering ist. Dann ist nämlich dennoch eine ausreichend große Querschnittsfläche der Lasche bereitgestellt, welche für eine gute elektrische Leitfähigkeit sorgt.
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Eine derartige Lasche lässt sich besonders leicht zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem elektrischen Kontaktelement der ersten Polarität der ersten Batteriezelle in Kontakt bringen. Zudem trägt das als Lasche ausgebildete Verbindungselement zu einem vorteilhaft geringen Gewicht der jeweiligen Batteriezelle bei. Eine Dicke oder Wandstärke der Lasche entspricht bevorzugt einer Dicke oder Wandstärke der Wand des Zellgehäuses.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Verbindungselement eine Durchtrittsöffnung aufweist, in welche eine stiftförmige Komponente hineinreicht, durch welche das elektrische Kontaktelement der ersten Polarität der ersten Batteriezelle bereitgestellt ist. Durch eine derartige Ausgestaltung des Verbindungselements, welches die stiftförmige Komponente umfangsseitig umschließt, lässt sich die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und der stiftförmigen Komponente besonders leicht herstellen.
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Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Verbindungselement in eine Stellung biegbar ist, in welcher die stiftförmige Komponente frei von mechanischen Spannungen in die Durchtrittsöffnung hineinreicht. Dann kann nämlich beim Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Verbindungselement und der stiftförmigen Komponente auf eine Halterung oder dergleichen verzichtet werden, welche das Verbindungselement gegen die stiftförmige Komponente drückt. Dies vereinfacht die Fertigung der Hochtemperatur-Batterie.
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Einem geringen Gewicht der Hochtemperatur-Batterie ist es des Weiteren zuträglich, wenn die stiftförmige Komponente als Hohlzylinder ausgebildet ist. Der Hohlzylinder ist bevorzugt kreiszylindrisch. Entsprechend ist dann eine runde Durchtrittsöffnung in dem Verbindungselement vorgesehen.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Hohlzylinder einen Boden umfasst, welcher auf einer dem Verbindungselement abgewandten Seite des Hohlzylinders angeordnet ist und eine in einem Kopfbereich der ersten Batteriezelle angeordnete Befüllöffnung der ersten Batteriezelle verschließt. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass über die Befüllöffnung ein festes Elektrolytmaterial oder ein festes Elektrodenmaterial in die Batteriezelle eingefüllt werden kann. Wird eine solche Befüllöffnung mit dem Boden des Hohlzylinders verschlossen, welcher zugleich das elektrische Kontaktelement der ersten Polarität bereitstellt, so ist die Fertigung der Batteriezelle besonders weitgehend vereinfacht.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die stiftförmige Komponente in einem Bereich, in welchem das Verbindungselement stoffschlüssig mit der stiftförmigen Komponente verbunden ist, eine Fase aufweist. Durch eine solche Abschrägung lässt sich ein für das stoffschlüssige Verbinden des Verbindungselements mit der stiftförmigen Komponente besonders günstiger Kontaktbereich bereitstellen. Zusätzlich oder alternativ kann das stiftförmige Element eine Stufe aufweisen, an welcher eine Breitseite des Verbindungselements anliegt, wenn das Verbindungselement mit der stiftförmigen Komponente stoffschlüssig verbunden wird.
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Bevorzugt ist das Verbindungselement durch Schweißen mit dem elektrischen Kontaktelement der ersten Polarität der ersten Batteriezelle verbunden. So lässt sich eine besonders belastbare Verbindung mit besonders geringem Übergangswiderstand erreichen.
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Dadurch, dass zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung der beiden Batteriezellen miteinander lediglich das Verbindungselement mit dem elektrischen Kontaktelement der ersten Polarität der ersten Batteriezelle verschweißt zu werden braucht, entfällt der aus dem Stand der Technik bekannte, zeitaufwendige Schritt des Lötens. Insbesondere kann auf das zeitaufwendige Aufheizen im Lötofen und das anschließende Abkühlen verzichtet werden, sodass sich die Fertigung der Hochtemperatur-Batterie besonders einfach und rasch realisieren lässt.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn wenigstens eine weitere Batteriezelle mittels wenigstens eines weiteren Verbindungselements, welches einstückig mit der Wand des Zellgehäuses der weiteren Batteriezelle ausgebildet ist, mit den beiden Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet ist. So lässt sich eine Vielzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe schalten, um eine entsprechend hohe Spannung der Hochtemperatur-Batterie bereitzustellen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine Hochtemperatur-Batterie gemäß dem Stand der Technik, bei welcher die einzelnen Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, indem ein starrer Zellverbinder mit dem Pluspol einer ersten Batteriezelle verschweißt und mit dem Minuspol einer benachbarten Batteriezelle verlötet ist, wobei der Minuspol der benachbarten Batteriezelle durch das Zellgehäuse der Batteriezelle bereitgestellt ist;
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2 ausschnittsweise zwei Batteriezellen für eine Hochtemperatur-Batterie, wobei eine erste Batteriezelle als elektrisches Kontaktelement einen Zylinder oder Hohlzylinder aufweist, welcher an einen Deckel des Zellgehäuses geschweißt ist, und wobei eine Seitenwand des Zellgehäuses der zweiten Batteriezelle eine Lasche bildet, welche als elektrisches Verbindungselement dient, mittels welchem die beiden Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet werden;
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3 schematisch und ausschnittsweise die Hochtemperatur-Batterie, bei welcher drei Batteriezellen der in 2 gezeigten Art elektrisch in Reihe geschaltet sind; und
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4 eine alternative Ausgestaltung des Hohlzylinders, welche ein Verschweißen des Hohlzylinders mit der als Zellverbinder dienenden Lasche vereinfacht.
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1 zeigt eine Hochtemperatur-Batterie 1 gemäß dem Stand der Technik. In der Hochtemperatur-Batterie 1 ist eine Mehrzahl von Batteriezellen 2 elektrisch in Reihe geschaltet. Die Hochtemperatur-Batterie 1 kann beispielsweise Batteriezellen 2 vom Typ Natrium-Nickelchlorid (NaNiCl2) oder Natrium-Schwefel (NaS) aufweisen. Derartige Batteriezellen 2 werden in einem Temperaturbereich zwischen 150 °C und 450 °C betrieben. Die Batteriezellen 2 sind von einem Modulgehäuse 3 umgeben, auf dessen Boden sie aufrecht stehend und mit wenigen Millimetern Abstand kompakt nebeneinander gepackt angeordnet sind. Zwischen einer äußeren Hülle 4 und dem Modulgehäuse 3 ist ein Isoliermaterial 5 zur thermischen Isolierung angeordnet. Das Modulgehäuse 3, die Hülle 4 und das Isoliermaterial 5 sind in 1 geschnitten dargestellt, um den Blick auf die in Reihe geschalteten Batteriezellen 2 zu ermöglichen.
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Die jeweiligen Batteriezellen 2 weisen Zellgehäuse 6 aus Metall auf, welche den Minuspol einer jeweiligen Batteriezelle 2 bilden. Als Pluspol einer jeweiligen Batteriezelle ist ein Knopf 7 vorgesehen, welcher eine Befüllöffnung der jeweiligen Batteriezelle 2 verschließt. Über die Befüllöffnung wird bei der Fertigung der Batteriezellen 2 ein Granulat, welches etwa Natriumchlorid und Nickel umfasst, in die Batteriezellen 2 eingefüllt.
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Zur elektrischen Reihenschaltung der Batteriezellen 2 miteinander wird ein Zellverbinder 8 mit dem Knopf 7 einer ersten Batteriezelle 2 verschweißt. Anschließend wird das andere Ende des Zellverbinders 8 mit dem Zellgehäuse der benachbarten Batteriezelle 2, welche mit der ersten Batteriezelle 2 elektrisch in Reihe geschaltet werden soll, durch Löten elektrisch leitend verbunden. Eine derartige Fertigung der Hochtemperatur-Batterie 1 ist vergleichsweise aufwendig.
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Zum Bereitstellen einer schematisch in 3 gezeigten, vereinfacht herstellbaren Hochtemperatur-Batterie 9 kommen Batteriezellen 10 zum Einsatz, wie sei vereinfacht in 2 gezeigt sind. Die jeweiligen Batteriezellen 10 weisen Zellgehäuse 11 aus einem elektrisch leitfähigen Material etwa in Form von dünnen Blechen auf. Des Weiteren weist die jeweilige Batteriezelle 10 ein elektrisches Kontaktelement auf, welches vorliegend als Hohlzylinder 12 ausgebildet ist. Dieser Hohlzylinder 12 tritt an die Stelle des Knopfs 7, welcher bei der in 1 gezeigten Hochtemperatur-Batterie 1 zum Einsatz kommt, um die Befüllöffnung der jeweiligen Batteriezelle 10 zu verschließen. Der Hohlzylinder 12 umfasst einen Boden 13, welcher die Befüllöffnung in einem Deckel 14 der jeweiligen Batteriezelle 10 verschließt.
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Die Batteriezellen 10 sind vorliegend prismatisch ausgebildet und haben eine quadratische Grundfläche. Hierbei kann eine Kantenlänge, welche mit einer Breite 15 einer jeweiligen Seitenwand 16 des Zellgehäuses 11 zusammenfällt, beispielsweise bei etwa 36 Millimetern liegen. Eine Höhe der jeweiligen Batteriezelle 10 kann etwa 230 Millimeter betragen.
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An den Hohlzylinder 12 wird bei der Montage des Batteriemoduls oder der Hochtemperatur-Batterie 9 ein Verbindungselement in Form eines Zellverbinders 17 angeschweißt, welches einstückig mit einer Seitenwand 16 des Zellgehäuses 11 der jeweiligen Batteriezelle 10 ausgebildet ist. Hierfür wird die Seitenwand 16, welche den Zellverbinder 17 bildet, im Bereich einer über den Deckel 14 der jeweiligen Batteriezelle 10 vorstehenden Lasche länger ausgeführt. Diese Lasche bildet den Zellverbinder 17. Die Breite 18 des Zellverbinders 17 ist geringer oder maximal gleich der Breite 15 der Seitenwand 16. Der Zellverbinder 17 ist so zu formen, dass eine Durchtrittsöffnung 19, welche in einem Endbereich des Zellverbinders 17 vorgesehen ist, frei von mechanischen Spannungen über den Hohlzylinder 12 am Pluspol der benachbarten Batteriezelle 10 angeordnet werden kann.
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Um eine erste Batteriezelle 10 der Hochtemperatur-Batterie 9 mit einer zweiten Batteriezelle 10’ der Hochtemperatur-Batterie 9 (vergleiche 3) elektrisch in Reihe zu schalten, braucht also lediglich der Zellverbinder 17 mit dem Hohlzylinder 12 verschweißt zu werden. Es braucht also lediglich eine einzige Schweißnaht angebracht zu werden, welche den Zellverbinder 17 und den Hohlzylinder 12 miteinander verbindet, um die elektrische Verbindung der Batteriezellen 10, 10’ fertigzustellen. Bei der Endmontage der Hochtemperatur-Batterie 9 wird also bevorzugt der Zellverbinder 17 an den Hohlzylinder 12 angeschweißt.
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In 2 ist der Hohlzylinder 12 lediglich an einer der beiden Batteriezellen 10 angeordnet gezeigt und der Zellverbinder 17 an der anderen der beiden Batteriezellen 10. Tatsächlich weist jedoch die jeweilige Batteriezelle 10 sowohl den Hohlzylinder 12 als auch den Zellverbinder 17 auf.
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Anstelle des Hohlzylinders 12 kann auch ein aus Vollmaterial gebildeter Zylinder am Deckel 14 der jeweiligen Batteriezelle 10 vorgesehen sein, welcher bevorzugt die Befüllöffnung in dem Deckel 14 verschließt.
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Der Hohlzylinder 12 kann auch als eine andere derartige stiftförmige Komponente ausgebildet sein, durch welche ein elektrisches Kontaktelement einer ersten Polarität der jeweiligen Batteriezelle 10 bereitgestellt ist.
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3 zeigt schematisch, wie in der Hochtemperatur-Batterie 9 drei Batteriezellen, nämlich eine erste Batteriezelle 10, eine zweite Batteriezelle 10’ und eine weitere Batteriezelle 10’’, elektrisch in Reihe geschaltet sind. Hierfür ist der Hohlzylinder 12 der ersten Batteriezelle 10 mit dem Zellverbinder 17 der zweiten Batteriezelle 10’ durch Schweißen verbunden. Der Zellverbinder 17 ist einstückig oder einteilig mit einer der Seitenwände 16 des Zellgehäuses 11 der zweiten Batteriezelle 10’ ausgebildet. Durch den Zellverbinder 17 des Zellgehäuses 11 der jeweiligen Batteriezelle 10’, 10’’ ist ein elektrisches Kontaktelement einer zweiten Polarität bereitgestellt.
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In analoger Weise ist der Hohlzylinder 12 der zweiten Batteriezelle 10’ mit dem Zellverbinder 17 der weiteren Batteriezelle 10’’ durch Schweißen stoffschlüssig verbunden. Beim Verschweißen der Zellverbinder 17 mit den Hohlzylindern 12 kann insbesondere ein Laserschweißverfahren zum Einsatz kommen. Wie aus 3 ersichtlich ist, kann der jeweilige Zellverbinder 17 eine eher schwache Biegung aufweisen und vergleichsweise flach oder überbogen ausgebildet sein, also eine Krümmung mit wenigstens einem Wendepunkt einer die Krümmung beschreibenden Krümmungslinie aufweisen.
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Wie anhand von 4 veranschaulicht ist, kann zum Verbessern der Schweißbarkeit der Zylinder oder Hohlzylinder 12 in seinem Endbereich, in welchem der Hohlzylinder 12 in die Durchtrittsöffnung 19 in dem Zellverbinder 17 hineinreicht, eine Fase 20 aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann hier auch eine Stufe oder ein Absatz vorgesehen sein.
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Auch die Batteriezellen 10, 10’, 10’’ der in 3 gezeigten Hochtemperatur-Batterie 9 sind in vorliegend nicht näher dargestellter Art und Weise in einem Modulgehäuse 3 angeordnet, welches bevorzugt von dem Isoliermaterial 5 und der Hülle 4 umgeben ist.
